CC BY
18определенной нагрузке в стержнях появляются трещины, то изгибные и крутильные жесткости этих стержней изменяются по любой известной методике, например, по методике [2]. Далее, на следующей итерации принимаются новые жесткости стержней и расчет повторяется. В отличие от моделирования работы железобетонной плиты плоскими конечными элементами, когда при образовании трещин в одном направлении изменяется жесткость всего элемента в обоих направлениях, в данном случае жесткость в каждом направлении может быть разной, что влияет на точность расчета.
Выводы и перспективы исследования. Для стержневой аппроксимации сплошной ортотроп-ной плиты достаточно разбить пролеты плиты в одном и другом направлении на определенное количество шагов. Затем ширину балок в каждом направлении принять равной шагу разбиения, высоту сечения принять равной толщине плиты, а модули упругости разделить на коэффициент k=1-дгд2. Далее следует крутильные жесткости балок приравнять изгибным жесткостям и рассчитать перекрестно-стержневую систему. После определения усилий в стержнях, изгибающие и крутящие моменты в сплошной плите можно определить по формулам перехода (6) и (7).
Расчеты по разработанной в настоящей статье методике показывают, что усилия, определенные в стержневой системе с высокой степенью точности совпадают с усилиями в сплошной ортотропной плите.
В перспективе предполагается разработка программы на ЭВМ для расчета железобетонных плит с помощью стержневой аппроксимации с учетом изменения изгибных и крутильных жесткостей в результате образования трещин.
Литература
1. Азизов Т.Н. Расчет железобетонных плит методом стержневой аппроксимации // Sciences of Europe. - 2019. - Vol 1, № 45. - С. 3-7.
2. Азизов Т.Н. Теория пространственной работы переркытий. - К.: Науковий свгг, 2001. - 276с.
3. Вайнберг Д.В., Вайнберг Е.Д. Расчет пластин. - К.: Будiвельник, 1970 - 435 с.
4. Верюжский Ю.В., Колчунов В.И., Барабаш М.С. Компьютерные технологии проектирования железобетонных конструкций. - К.: НАУ, 2006. -808 с.
5. Гастев А.В., Китовер К.А. К опредлению упругих характеристик ребристых пластин // Строительная механика и расчет сооружений. - № 6, 1961.
6. Ржаницын А.Р. Строительная механика: Учеб. пособие для вузов. - М., 1982. - 400 с.
7. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. Пер. с англ. М.: Наука, 1966. - 635 с.
8. Тимошенко С.П. Гудьер Дж. Теория упругости. - М.: Наука, 1975. - 576 с.
9. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986. - 514 с.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
ОТВЕРСТИЙ ГИДРОЦИЛИНДРОВ
Берикбаева М.А.
Северо-Казахстанский университет им. М. Козыбаева г. Петропавловск, старший преподаватель Танирбергенова А.А. Satbayev university. Кандидат технических наук, ассистент профессора
г. Алматы
IMPROVING THE TECHNOLOGY OF PROCESSING THE INNER SURFACE OF HYDRAULIC
CYLINDER HOLES
Berikbayeva M.,,
Manash Kozybayev North Kazakhstan university Petropavlovsk, Senior Lecturer Tanirbergenova A.
Candidate of Technical Sciences, Assistant to the Professor
Satbayev university. Almaty
АННОТАЦИЯ
Получение качества внутренней поверхности гидроцилиндров и его оптимизация является актуальной задачей на предприятии. В статье представлены результаты исследования по совершенствованию процесса чистовой обработки глубоких отверстий в тонкостенных гильзах. Выбраны основные параметры для обеспечения качества поверхности: показатель шероховатости и величина внутренних напряжений в поверхностном слое гидроцилиндров. Для определения глубины упрочнения внутренней поверхности глубокого отверстия гильзы использовался метод косого шлифа. Результаты исследований позволяют рекомендовать комбинированную обработку отверстий, сочетающую резание и пластическую деформацию.
Полученные в работе результаты позволят улучшить обработку глубоких отверстий гидроцилиндров которая имеет практическое и теоретическое научное значение.
ABSTRACT
Obtaining the quality of the inner surface of hydraulic cylinders and its optimization is an urgent task at the enterprise. The article presents the results of a study on improving the process of finishing deep holes in thin-walled sleeves. The main parameters for ensuring surface quality are selected: the roughness index and the magnitude of internal stresses in the surface layer of hydraulic cylinders. To determine the depth of hardening of the inner surface of the deep hole of the sleeve, the oblique slot method was used. The results of the research allow us to recommend a combined hole treatment combining cutting and plastic deformation. The results obtained in the work make it possible to improve the processing of deep holes of hydraulic cylinders, which has practical and theoretical scientific significance.
Ключевые слова: полирование, доводка, поверхностное пластическое деформирование, ударное раскатывание, дефекты макрогеометрии, комбинированная обработка.
Keywords: polishing, finishing, surface plastic deformation, impact rolling, macrogeometry defects, combined processing.
Постановка проблемы
Обработка внутренних цилиндрических поверхностей всегда была более сложным процессом, чем обработка наружных цилиндрических поверхностей. Это обусловлено «закрытостью» отверстий и связанными с этими трудностями ориентации инструмента относительно обрабатываемой поверхности, подачи СОЖ, измерения и контроля микрогеометрии и размеров, наблюдения процесса, использования более сложной конструкции инструмента и другими особенностями.
Основные и наиболее широко распространенные в промышленности способы чистовой обработки резанием не только недостаточно производительны, но и технологически несовершенны, поскольку, обеспечивая высокую точность обработки на уровне макрогеометрии, форму и размеры отверстий, они не создают соответствующие ей высокие характеристики на уровне микрогеометрии. В результате, в технологическом процессе обработки гильз, после чистового растачивания была введена операция доводки, обеспечивающая необходимое качество поверхностного слоя.
Анализ последних исследований и публикаций
При финишной обработке отверстий гидроцилиндров основной интерес, как в теоретическом, так и в практическом отношении имеет явление упрочнения, сопровождающее холодную пластическую деформацию. В нашем случае оптимальной является поверхность имеющая остаточные напряжения в пределах 200-350 МПа и повышение микротвердости не меньше 15 %.
Исследования проф. П.И. Ящерицина [2] показали влияние шероховатости поверхности заготовки на эксплуатационные свойства детали. Максимальная износостойкость присуща образцам, имеющим качественную предварительную обработку, при этом имеет место, так называемая, технологическая наследственность, т.е. изменение эксплуатационных свойств деталей под влиянием технологии их изготовления.
Технологическая наследственность проявляется не только во влиянии метода и режима обработки, применяемых на последних чистовых операциях, но также может проявляться в изменении свойств или потере точности формы готовой детали
при ее эксплуатации в результате воздействия тех или иных элементов качества поверхности, созданных в поверхностном слое детали при черновой обработке.
Для целесообразного использования явления технологической наследственности необходимо установить непосредственные связи между эксплуатационными характеристиками деталей и режимами обработки детали на основных операциях ее изготовления. Для этого разумнее всего установить математическую зависимость: «эксплуатационная характеристика - функция качества поверхности», «качество поверхности - функция режима обработки» совместное решение позволит установить прямую связь: «эксплуатационная характеристика
- режим обработки».
Финишная обработка, основанная не на резании, а на холодной деформации получила признание в 50-60 гг. прошлого столетия.
Вопросы пластического деформирования исследовались и изучались, начиная со времен Галилея. Надо отметить, что направление этих исследований вошло в промышленность как, в первую очередь, изготовление заготовок,далее раздел -формообразование и третье направление - отде-лочно-упрочняющая обработка. А профессором Султановым Т.А. создано целое направление науки
- кинетопластического формообразования.
При решении вопросов обработки давлением используется инженерная теория пластичности Уинксова Е.П., теория обработки металлов Губкина С.И. Фундаментальные исследования проведены по изучению трения, созданы теории трения (Б.Б. Дерягин, И.В. Крагельский т др.) и много способов определения коэффициента трения.
Из всех современных теорий, объясняющих природу пластической деформации и упрочнения металлов, общепризнанной и наиболее достоверной в настоящее время является дислокационная теория. В современных дислокационных теориях рассматривается кристалл, который в исходном состоянии содержит большое количество дислокаций, расположенных в виде пространственной сетки. Существование сеток обнаруживается под электронным микроскопом, а также рентгенов-
скими методами исследования. Пластическая деформация представляется как процесс образования новых дислокаций и их движения по кристаллу.
Для решения задач поверхностной пластической деформации допускается применение законов наименьшего сопротивления, закон постоянства объемов, закон наименьшего периметра и др.
Общая проблема
Основные органические недостатки традиционных методов финишной обработки: нарушение целостности и подрезание волокон обрабатываемого материала; неоднородность обработанной поверхности; разрыхление поверхностных слоев и шаржирование в них инородных частиц, а также высокие температуры резания при абразивной обработке, изменяющие структуру материала.
Наиболее надежное получение качественной поверхности дают методы холодной обработки давлением с образованием на поверхности деталей регулярных микрорельефов. Основными способами обработки внутренних поверхностей методом поверхностного пластического деформирования являются: раскатывание, выглаживание и дорнование.
Управление процессом чистовой обработки давлением существенно осложняется тем, что приповерхностный слой материала заготовки имеет предельно неоднородную микрогеометрию. Выходом может стать комбинированная обработка, сочетающая в себе одновременно предварительное резание и пластическое деформирование.
Повышение эффективности металлообработки является одним из основных направлений развития современного машиностроения. Снижение отходов в стружку или уменьшение припусков на обработку резанием приводит к существенному экономическому эффекту. Прежде всего, это относится к обработке деталей типа втулок, труб, цилиндров, гильз, которые находят применение во многих машинах и механизмах.
Основные и наиболее широко распространенные в промышленности способы чистовой обработки резанием не только недостаточно производительны, но и технологически несовершенны, поскольку, обеспечивая высокую точность обработки на уровне макрогеометрии, форму и размеры отверстий, они не создают соответствующие ей высокие характеристики на уровне микрогеометрии. В результате, в технологическом процессе обработки гильз, после чистового растачивания была введена операция доводки, обеспечивающая необходимое качество поверхностного слоя.
Эти детали производятся преимущественно из пластичных материалов, и целесообразнее необходимое качество поверхности достигать поверхностным пластическим деформированием.
При пластическом деформировании тонкого поверхностного слоя имеется ряд преимуществ, по сравнению с обработкой точением, шлифованием и полированием [5].
Управление процессом чистовой обработки отверстий давлением значительно усложняется тем, что поверхностный слой материала заготовки
предельно неоднородно деформирован в результате предшествующей ее обработки резанием, его микрогеометрия хаотична [10].
Сложность изучения процессов пластического деформирования обусловлена также тем, что при данных механических свойствах величина сопротивления металла пластическому деформированию непрерывно изменяется одновременно с изменением механических свойств [3]; причем изменения эти по своему характеру неоднородны. Поэтому при расчетах значений параметров режима обработки металлов давлением необходимо предварительно экспериментально устанавливать характерную для данного материала функциональную зависимость, связывающую его сопротивление пластическому деформированию с величиной деформации.
Таким образом, задача создания прикладной теории пластичности должна решаться комплексно, то есть путем установления качественных зависимостей и количественных закономерностей между напряжениями и деформациями в реальном металле на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также обобщениях данных накапливающегося производственного опыта.
Цель статьи
Исследование возможности осуществления процесса комбинированной обработки отверстий с помощью развертки, сочетающей резание и пластическое деформирование. Изучение особенностей процесса и его влияния на качество получаемых деталей.
Изложение основного материала
Связь характеристик качества поверхностного слоя с эксплуатационными свойствами деталей свидетельствует о том, что оптимальная (с точки зрения повышения эксплуатационных свойств деталей) поверхность должна быть достаточно твердой, должна иметь сжимающие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру, сглаженную форму микронеровностей с большой площадью опорной поверхности [4].
Основное требование к внутренней поверхности гидроцилиндра - износостойкость. Износостойкость внутреннего отверстия гильзы будет зависеть от волнистости и шероховатости, точнее от высоты гребешков неровностей, от фактической площади поверхности контакта, от шага и формы отдельных неровностей, а также и от микротвердости поверхностного слоя [1]. Тонкие и многочисленные неровности обеспечивают большую износоустойчивость, чем крупные неровности большого шага. Оптимальная высота шероховатости, для обеспечения точности сопряжения, может быть определена по следующим рекомендациям [2]:
Ял = (0.1-0.15) Тв
при диаметре сопряжения свыше 50 мм;
Ял = (0.15-0.2) Тв
при диаметре сопряжения от 18 до 50 мм;
Ял = (0.2-0.25) Тв
при диаметре сопряжения менее 18мм.
Л '0,63 За
С)
£
Рисунок 1 - Чертеж детали
Таблица 1
Размеры детали и заготовки_
Изделие Обозначение Размеры Заготовка труба ГОСТ 8731 ГОСТ 8732 Материал, сталь Программа выпуска
диаметр длина
с/х Гильза ГЦ 240. 10.002 30 280 48х10 35 400
с/х Гильза ГЦ 260. 20.001 40 388 57х12 35 400
с/х Гильза ГЦ 288. 30.002 40 402 57х12 35 500
ж/д ЖД 12М.10.001 50 215 68х12 35 500
ж/д РГ 23.20.102 50 166 68х12 35 500
с/х Гильза ГЦ 285. 10.101 63 353 83х12 35 200
с/х ЦП 6-80. 15.002 80 275 102х14 35 200
Технологическая наследственность проявляется не только во влиянии метода и режима обработки, применяемых на последних чистовых операциях, но также может проявляться в изменении свойств или потере точности формы готовой детали при ее эксплуатации в результате воздействия тех или иных элементов качества поверхности, созданных в поверхностном слое детали при черновой обработке.
Для целесообразного использования явления технологической наследственности необходимо установить непосредственные связи между эксплуатационными характеристиками деталей и режимами обработки детали на основных операциях ее изготовления. Для этого разумнее всего установить математическую зависимость: «эксплуатационная характеристика - функция качества поверхности», «качество поверхности - функция режима обработки» совместное решение позволит установить прямую связь: «эксплуатационная характеристика - режим обработки».
Как указывалось, ранее, более приемлемой для обеспечения необходимых эксплуатационных характеристик является обработка поверхностным пластическим деформированием. Выбраны пять способов обработки отверстий: вибрационное обработка, ударное раскатывание, дорнование (протягивание), выглаживание и раскатывание. Учитывая конкретные условия обработки, программу выпуска и требования, предъявляемые к деталям
можно сказать, что приемлемыми являются только операции: раскатывание и выглаживание.
Таким образом, при изготовлении деталей из пластичной стали 35, наилучшими, с точки зрения износостойкости деталей гидроаппаратуры, методами обработки, в данных условиях, оказались методы, создающие наибольшее упрочнение металла поверхностного слоя. Шероховатость поверхности в данном случае имеет меньшее значение, чем наклеп металла поверхностного слоя. Однако следует отметить, что в тех случаях, когда степень наклепа металла поверхностного слоя при разных видах обработки оказывается близкой, а шероховатость поверхности отличается значительно, меньший износ дают виды обработки, создающие менее шероховатые поверхности.
Из приведенных соображений кажется неожиданным большой износ обкатанных деталей. Микроскопическое исследование позволило обнаружить на их поверхности трещины, возникающие с перенаклепом металла поверхностного слоя. Высокая износостойкость деталей, обработанных выглаживанием, объясняется наличием отрицательных остаточных напряжений [7].
Для деталей гидроаппаратуры, имеющих большую длину, немаловажное значение имеет точность обработки вдоль всего отверстия. Изменение размера при выглаживании и раскатывании при прочих равных условиях зависит от исходной шероховатости и приближенно определяется по формуле [7]
Да ~ 2/3 (Ял исх. - ЯЛ) (1)
где Ял исх. и Ял - соответственно высоты неровностей до и после обработки.
Эта формула обеспечивает вполне приемлемую точность при условии, что исходная шероховатость не превышает высоты неровностей соответственно не выше Яа = 0.63.
Исследования, результаты которых приведены в книге В.Ф. Губанов [8], подтверждают данные о том, что выглаживание и раскатывание при упругом контакте заготовок и инструмента практически не изменяет точность исходной формы заготовки, так же, как и точность размеров. А это означает, что такая характеристика, как волнистость остается неисправленной и значительно снижает износостойкость гильз. Для исправления формы закрепление инструмента должно быть жестким.
Высокая жесткость системы инструмент - заготовка в радиальном сечении при работе инструментами ППД и, как следствие, высокая чувствительность этой системы к самым незначительным колебаниям основного параметра обработки -натяга. Это приводит, в сою очередь, к образованию участков с различным качеством поверхности т.н. «пятнистости» [4]. Неоднородность материала неизбежна в промышленных условиях, для исключения колебаний натяга при встрече с твердыми или мягкими включениями, предварительная обработка должна исключить большое различие в высоте гребешков неровностей и исправить дефекты макрогеометрии.
Повышенные требования к предварительно полученному отверстию - основной недостаток методов поверхностного пластического деформирования. Исключить этот недостаток можно при совмещении операций предварительной обработки резанием с последующей калибрующее-отделочно-упрочняющей обработкой давлением.
Исследования и промышленные испытания показали, что в большинстве случаев выполнение условий, обеспечивающих повышение точности при одновременной обработке резанием и давлением, на практике не вызывает трудностей. Достоинство способа комбинированной обработки особенно наглядно иллюстрируется опытом совмещения получистовой и чистовой обработки стальных ступенчатых штоков на заводе АО «ПЗТМ» [6]. Убедительно подтвердился этот результат работами, выполненными в последние годы в НИИ тракторосельмаш. Эти исследования показали, что:
• Совмещенная обработка точением и обкатыванием дифференциальными обкатниками с коническими роликами успешно применяется взамен конечной операции шлифования при обработке сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов твердостью до 45 ЖСэ;
• Снижение высоты исходных неровностей происходит с 10 до 0,63 мкм;
• Повышение поверхностной твердости составляет до 50%;
• Происходит образование и стабилизация благоприятных для большинства условий эксплуатации сжимающих остаточных напряжений;
• Производительность совмещенной обработки резанием и давлением в два- семь раз выше абразивной, а по трудоемкости ниже шлифования.
Совмещение обработки резанием и холодным пластическим деформированием с использованием особенностей и достоинств той и другой - одно из направлений совершенствования металлообработки как в отношении сокращения цикла обработки и повышения производительности труда, так и повышения качества обрабатываемых деталей.
Выводы и предложения
Установлено, что одним из наиболее перспективных направлений металлообработки является применение на станках общетехнического назначения комбинированных инструментов, которые позволяют за один рабочий ход выполнять на заготовке лезвийную предварительную обработку и упрочняющую поверхностную деформацию.
Анализ процесса комбинированной обработки дает основание считать, что основными факторами, определяющими величину оптимальной шероховатости и степени упрочнения, являются: материал, шероховатость предварительной обработки, конструктивные параметры инструмента (натяг, угол заборного конуса, параметры выглаживающего элемента, число зубьев), параметры обработки (контактное давление, подача, скорость) и параметры заготовки (толщина стенки).
Анализ литературных источников показывает, что существующие данные по комбинированной обработке отверстий представляют лишь ряд разрозненных противоречивых предложений без соответствующей научной и инженерной проработки.
Литература
1. Богодухов, С.И. Обработка упрочненных поверхностей» в машиностроительном производстве Текст.: учебное пособие/С.И. Богодухов, В.Ф. Гребенюк, А.Д. Проскурин. - М.: Машиностроение
2006. -272 с
2. Герасимов В.Я., Губанов В.Ф. Применение неразрушающих методов контроля качества механической обработки цилиндрических поверхностей деталей // Известия вузов. Машиностроение. -2005. - № 11. - С.58-62.
3. В.Ф. Губанов, В.В. Марфицын, В.Н. Орлов, А.Г. Схиртладзе. Управление качеством поверхности при финишной обработке деталей выглаживанием: Учеб. пособие. - Курган: Издательство КГУ,
2007. - 84 с.
4. The study of methods for combined processing of deep holes of hydraulic cylinders Berikbaeva М.А., Khairullin B.T., Mukhamadeyeva R.M. International Journal of Mechanics. 2020. Т. 14. С. 177-184.
5. Комбинированная обработка отверстий гидроцилиндров Берикбаева М.А., Хайруллин Б. Т., Мухамадеева Р.М., LXVI International correspondence scientific and practical conference. 2020. С. 7-10.
6. Гидроцилиндрдщ гшш беттерш заманауи эдюпен ендеу Хайруллин Б.Т., Берикбаева М.А. Вестник Алматинского университета энергетики и связи. 2019. № 4 (47). С. 177-187.
7. Мухамадеева Р.М. Повышение качества обработки отверстий комбинированными режуще -деформирующими развертками. Диссертация на соискание ученой степени. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004.
8. Одинцов Л. Г. Финишная обработка деталей алмазным выглаживанием и вибровыглаживанием. - М.: Машиностроение, 1985. - 57 с.
9. Розенберг А. М, Розенберг О. А. О раздаче трубных заготовок внутренним давлением // Прикладная механика. -1976.-№ 10.-С. 133-137.
10. Розенберг О. А. Механика взаимодействия инструмента с изделием при деформирующем протягивании. - Киев: Наук. думка,1981.-288 с.
